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Benutzer:Neil Brainstrong/Energie
Fossile Energieträger
Erdöl, Kohle und Erdgas haben einen großen Vorteil: Sie sind relativ billig und haben eine vergleichsweise hohe Energiedichte. Hinzu gesellen sich zwei gewaltige Nachteile: Sie werden im Laufe des 21. Jahrhunderts zur Neige gehen, und sie destabilisieren das Klima.
(Anm.: Man begegnet zuweilen der Aussage, dass der Klimawandel nicht existiere, oder aber nichts mit menschlichen CO_2-Emissionen zu tun habe. Es gibt jedoch so gut wie keinen ernstzunehmenden Klimatologen, der an der Echtheit des Treibhauseffekts Zweifel hat. Und selbst wenn Zweifel daran bestünden - wie Harald Lesch mal sagte: Wenn ich an einem zugefrorenen See stehe, und ein Experte sagt mir: "Das Eis hält", und ein anderer: "Das Eis hält nicht", dann werde ich so klug sein, auf den zweiten zu hören, und außenrum gehen.)
Weitere Probleme sind die Freisetzung von lungenschädlichem Feinstaub, Zerstörung natürlicher Lebensräume durch Kohleabbau und die häufigen Todesfälle in Kohleminen durch Stolleneinstürze u. ä.
Schlußfolgerung: Wir müssen die fossilen Energieträger bis ca. 2050 loswerden.
Sorgenkind Kernspaltung
Die Katastrophe von Fukushima wirft erneut die Frage auf, ob die Spaltung schwerer Atomkerne überhaupt eine akzeptable Methode ist, Energie zu gewinnen. Die breite Mehrheit der Bevölkerung Deutschlands fordert inzwischen einen zügigen und kompletten Atomausstieg.
Zieht man in Betracht, dass die Welt-Uranvorräte größenordnungsmäßig nicht länger reichen als die fossilen Energieträger, scheint dies noch vernünftiger.
Wichtige politische Entscheidungen sollten jedoch stets mit dem Großhirn (rationales Denken) gefällt werden, und nicht mit dem limbisch-thalamischen System (Primäremotionen)!
Daher sollten wir die Vorteile der Kernenergie nicht aus den Augen verlieren:
- Keine CO_2-Emissionen (allenfalls bei Förderung, Aufbereitung und Transport des Uran)
- Extrem hohe Energiedichte: entspricht 10000 mal Kohle! (Der tatsächliche Unterschied zwischen starker und elektromagnetischer Kraft liegt sogar bei 1.0e6 - Kernübergänge im MeV-Bereich vs. Hüllenübergänge im eV-Bereich. Es werden jedoch nur wenige Prozent des Energiegehaltes nutzbar gemacht.)
Angenommen, es gäbe ein Reaktordesign, das die charakteristischen Schwächen herkömmlicher AKW (GAU-Gefahr, große Mengen langlebiger Atommüll, Gefahr des Mißbrauchs zum Kernwaffenbau) nicht, bzw. stark abgeschwächt aufweist...
Das Bemerkenswerte ist: Dieses Design existiert! Es ist der Thoriumreaktor, auch genannt Flüssigsalzreaktor. Zieht man zusätzlich in Betracht, dass dieser Reaktor die Transmutation des bereits bestehenden Atommülls in wesentlich kurzlebigere Elemente in wesentlich geringerer Menge erlaubt, und Thorium dreimal häufiger auf der Erde ist als Uran, erscheint diese Technologie vielleicht noch nicht wie die Scarlett Johansson unter den Kraftwerken, aber im Vergleich mit den existierenden Reaktoren hätten Thoriumanlagen einen deutlich höheren "Kuschelfaktor".
Übrigens wurden inzwischen Technologien entwickelt, die es erlauben, Uran aus dem Meersalz zu gewinnen. Damit ließen sich sämtliche AKW der Welt über viele Jahrzehntausende versorgen.
Thorium lässt sich allerdings nicht aus Meerwasser extrahieren, da Thoriumoxid nicht wasserlöslich ist.
Ein weiteres neuartiges Design, dass sich erforschen ließe, ist der sogenannte Laufwellenreaktor. Auch er erlaubt es, verbrauchte Brennelemente weiterzubenutzen und in kurzlebigere Isotope umzuwandeln.
Zuletzt sei gesagt, dass wir mit absoluter Sicherheit nicht vollständig auf Kernreaktoren verzichten können: Zum einen benötigen wir sie, um kurzlebige Nuklide für die Medizintechnik zu erbrüten (PET), zum anderen sind kleine, experimentelle Anlagen für die physikalische Forschung unverzichtbar (Z. Bsp. der Berliner Experimentier-Reaktor).
Ferner würden aufgrund der enormen Energiedichte Kernbrennstoffe einen exzellenten Antrieb für Raumschiffe abgeben. Ja, es würde sich sogar energetisch lohnen, sie über interplanetare Distanzen zur Erde zu transportieren!
Ich stelle mir gerade vor, wie ich diese kleine Abhandlung als Vortrag vor einer Gruppe von Anti-Atom-Aktivisten halte. Und dann denke ich darüber nach, ob die Waschmaschine bei uns im Studentenwohnheim wohl stark genug ist, um Flecken von fauligen Tomaten aus meiner Kleidung zu entfernen... dennoch, man muss bei politischen Entscheidungen immer alle Aspekte sorgfältig abwägen, und sich umfassend informieren.
Wildcard: Kernfusion
DAS ist nun die Scarlett Johansson unter den Kraftwerken, oder, anders ausgedrückt, der Heilige Gral der Energiegewinnung.
Leichte Kerne unter Energieüberschuss zu schwereren zu verschmelzen wird seit mehreren Jahrzehnten in Labors rund um die Welt angestrebt.
Die klassischen Probleme der Spaltungskraftwerke treten hier samt und sonders nicht auf: Hier ist keine Kernschmelze möglich - der Reaktor enthält überhaupt nichts, was schmelzen könnte, sondern ein heißes Plasma. Bricht das einschließende Magnetfeld zusammen, hört sofort die Reaktion auf. Radioaktive Abfälle entstehen auch nicht. Lediglich die Reaktorhülle wird durch Neutronenbeschuss radioaktiv und muss nach Abbau des Kraftwerks eine Zeit lang irgendwo strahlensicher eingelagert werden. Es existieren übrigens auch Fusionsreaktionen, bei denen keine schnellen Neutronen entstehen, und die Hülle daher nicht radioaktiv wird (Z. Bsp. D + He3 -> He4 + p).
Die Reaktion, die in den meisten Experimenten angestrebt wird, ist jedoch die Verschmelzung von Deuterium und Tritium zu Helium-4 unter Freisetzung eines Neutrons. Deuterium ist den Weltmeeren in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden, Tritium jedoch muss erst in konventionellen (Spaltungs-)Reaktoren aus Lithium erbrütet werden. Lithium ist auf der ganzen Erde sehr häufig, u. a. auch im Meersalz. Übrigens könnten Fusionsreaktoren einen Teil ihres Tritium-Brennstoffs selbst herstellen, indem man die Reaktionskammer mit Lithium ummantelt, dass dann von den bei der Reaktion freiwerdenden Neutronen zu Tritium transmutiert wird.
Bisher ist jedoch nicht klar, wann die Fusion endlich soweit entwickelt sein wird, dass sie sich längerfristig aufrechterhalten lässt und dabei mehr Energie abwirft als zur Zündung des Plasmas nötig ist. Bekannte Projekte sind ITER in Europa und die National Ignition Facility (NIF) in den USA.
Solche Technologien, von denen noch unbekannt ist ob/wann sie zur Verfügung stehen werden, nennt man in der Futurologie "Wildcards".
Hier ein recht umfassender Artikel zur Kernfusion sowie ein weiterer zum noch sehr hypothetischen Konzept der sog. Kalten Fusion, die ohne hohe Drücke und Temperaturen auskommt.
Es existiert vorsichtiger Optimismus, dass die Fusion gegen Mitte des 21. Jahrhunderts einsatzbereit sein wird.
Erneuerbare Energien
Diese sind ohne jede Frage das Liebslingskind der Umweltschutzbewegung: Sonneneinstrahlung, Windströmungen, Wasserkraft, Gezeiten, Erdwärme u. v. a.
Weder Kohlendioxid noch Radioaktivität werden von ihnen freigesetzt. Sie haben jedoch den Nachteil, nur eine relativ geringe Leistung pro benutzter Fläche nutzbar zu machen.
Welche EE sinnvoll genutzt werden können, hängt stark von Standort ab. Solarenergie ist in Wüstenregionen besonders effektiv nutzbar, Windkraftwerke arbeiten dort am besten, wo ständig starke Windströmungen vorhanden sind (z. Bsp. Küsten oder offshore), Geothermie lässt sich am sinnvollsten in vulkanisch aktiven Regionen mit hochenthalpischen Gesteinen nutzen (Bsp. Island).
Betrachten wir zwei Szenarien zur Nutzung der EE: Einmal die Möglichkeit der transkontinentalen Vernetzung im Stil von Desertec (mein persönlicher Favorit), und dann die autarke Versorgung Deutschlands mit EE, ohne Abhängigkeit vom Ausland.
Transkontinentales Netz
Dies bedeutet, dass die verschiedenen Energiequellen dort genutzt werden, wo sie besonders effizient sind: Solarenergie im mediterranen Raum, auf der arabischen Halbinsel und Nordafrika, Windenergie an der afrikanischen Westküste, an der Nordseeküste und in Großbritannien, Gezeiten- und Fließwasserenergie in Skandinavien und Geothermie auf Island. Alle diese Energiequellen werden nach Art des Internets mit weit verzweigten Leitungen verknüpft. Dies stellt sicher, dass nicht ein einzelner Staat die anderen unter Druck setzen kann mit der Drohung, den Strom abzuklemmen.
Hier ein möglicher Aufbau des Netzwerks.
Es ist nicht unmöglich, dass die Solarenergie eines Tages alle anderen Energiequellen abhängt. Dazu eine einfache Beispielrechnung:
Wie wir oben überlegten, werden wir in Zukunft rund 1.0e14 W benötigen. Die Sonnenstrahlungsintensität liegt in der Sahara über das Jahr gemittelt bei 270 W m^-2. Der Wirkungsgrad von Parabolrinnen-Sonnenwärmekraftwerken liegt bei 14%. Da die Technologie sicher noch weiter entwickelt werden wird, rechnen wir mit rund 20%. Das bedeutet, dass eine Fläche von 1.8e12 m^2 in der Wüste abgedeckt werden müsste, was einem Rechteck von 1800 km Länge und 1000 km Breite entspräche. Dies ist zwar größer als die Bundesrepublik, beträgt allerdings nur ein Fünftel der Gesamtfläche der Sahara.
In der Realität wird natürlich nicht der gesamte Weltenergiebedarf in der Sahara gedeckt werden. Es wird sich, wie oben geschildert, um ein weit verzweigtes, dezentrales Netzwerk handeln müssen! Ostasien wird sicherlich die Wüste Gobi für Solarkraftwerke nutzen, Nordamerika steht der gesamte aride Südwesten der Vereinigten Staaten zur Verfügung.
Autarke Versorgung Deutschlands
Im Zusammenhang mit der momentan instabilen Situation in Nordafrika taucht öfters die Frage auf, ob es nicht auch möglich wäre, Deutschland autark mit EE zu versorgen, ohne hierbei von anderen Staaten abhängig zu sein.
In Deutschland liegt die mittlere Strahlungsintensität bei 115 W m^-2. Um 4.4e11 W zu erzeugen, wäre es also nötig, 12 750 km^2 mit photovoltaischen Zellen abzudecken, wenn man von einem Wirkungsgrad von 30% ausgeht (thermosolare Anlagen lassen sich in Mitteleuropa nur bedingt nutzen). Dies würde in etwa einem 12 km breiten Solarkraftwerkestreifen vom Bodensee bis Kiel entsprechen.
Landwirtschaftlich genutzte Flächen stehen herfür natürlich nicht zur Verfügung, und Wälder sollte man vielleicht nicht abholzen, da sie wertvolle CO_2-Senken sind (abgesehen von Natur- und Artenschutzaspekten). Es stehen jedoch rund 2300 km^2 Gebäudefläche für Solarenergie zur Verfügung, was immerhin 18% der benötigten Fäche darstellt.
Die Windenergie ist ohne Zweifel auch ausbaufähig - das ENERCON E-126 Windkraftwerk setzt als stärkstes der Welt 6 MW Nennleistung um. Um 4.4e11 W zu erzeugen wären rund 73000 dieser Turbinen notwendig - man sollte jedoch beachten, dass man Windkraftwerke nicht beliebig dicht staffeln kann, da sie die Windströmungen abbremsen und sich gegenseitig "den Wind aus den Segeln nehmen" können.
Diese erste - sehr grobe - Abschätzung zeigt, dass eine autarke Versorgung Deutschlands ausschließlich aus EE wahrscheinlich nicht unmöglich, aber recht aufwändig wäre.
Neulich hatte ich übrigens einen interessanten Einfall: photovoltaischer Strassenbelag. Wenn es gelänge, eine Photovoltaik-Beschichtung für Strassen zu entwickeln, stünde eine ziemlich grosse Menge Energie zur Verfügung! Das Strassennetz Deutschlands deckt über 4% des Bundesgebietes ab (Stand: 2008). Dies entspricht einer Fläche von 14 287 km^2 - mehr als genug, um unseren Gesamtenergiebedarf zu decken (siehe oben). Also, all ihr Solaringenieure, die ihr dies lest: Auf, auf, entwickelt ein Material, das photovoltaisch aktiv ist mit einem Wirkungsgrad um 30%, billig in großer Menge herstellbar und von der Textur her als Strassenbelag geeignet. Und achja, es darf seine Eigenschaften auch dann nicht einbüßen, wenn man ständig mit tonnenschweren Autos darüber fährt!
Und was würdest du machen, Neil?
Tja, was würde ich machen? Für eine technologisch orientierte Zukunft benötigen wir jedenfalls Energie, viel Energie! Und diese darf nicht in absehbarer Zeit aufgebraucht sein.
Daher sollten wir insgesamt gesehen ALLE Energieträger nutzen, die nicht in einigen Jahrzehnten erschöpft sein werden.
Einige konkrete Vorschläge (nur ein grober Entwurf, ist noch ausbaufähig):
- Alte, unsichere AKW möglichst schnell runterfahren und abbauen.
- Modernere AKW nachrüsten, so dass sie auch schwersten Belastungen standhalten. Insbesondere ist zu kontrollieren, ob sie Flugzeugabstürzen (und eventuell kleineren Meteoreinschlägen) zu widerstehen vermögen. Sofern das möglich ist, sind sie mit Core-Catchern nachzurüsten. Falls dies nicht machbar ist, sollten sie sukzessive durch Reaktoren der 4. Generation ersetzt werden, die mit Catchern ausgerüstet sind. Die sicherste Konstruktionsweise wäre vermutlich, die Reaktoren in künstlichen Höhlen in Berghängen unterzubringen. Mehrere hundert Meter Fels dürften ausreichend sein, um ein AKW regelrecht "death proof" (huhu Quentin) zu machen.
- Intensive Forschung an neuen Reaktortypen (Thorium, Laufwellen, siehe oben).
- Zügiger Ausbau eines transkontinentalen Netzwerkes für erneuerbare Energien im Stil von Desertec. Gleichzeitig könnte es sinnvoll sein, auch in Deutschland selbst die EE möglichst umfassend zu nutzen (das eine schließt ja nicht das andere aus).
- Verstärkte Erforschung der Kernfusion.
Auf diese Weise sollte es möglich sein, die fossilen Brennstoffe allmählich zurückzudrängen und langfristig sogar mehr Energie zu Verfügung zu stellen.
Klar ist, das das Ganze weder besonders schnell gehen noch billig sein wird. Aber wir haben keine andere Wahl, es sei denn, wir ziehen es vor, gegen Ende des Jahrhunderts in einer Mad-Max-artigen Welt zu leben, was vielleicht anfangs aufregend, auf Dauer aber unnötig stressig wäre.
Das Apollo-Projekt oder der LHC haben gezeigt, zu welchen technischen Meisterleistungen Menschen fähig sein können, wenn man ihnen die nötigen Mittel zur Verfügung stellt. Daher sollte sich auch das Energieproblem "besiegen" lassen. (Wie schon gesagt, ich bin chronisch optimistisch...)